Metody badania reaktywności węgla w procesach spalania i zgazowania

• Autorzy: Smoliński A. , Howaniec N. , Stańczyk K.

Warianty tytułu

EN

Methods of coal reactivity determination in combustion and gasification processes

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Światowa produkcja energii elektrycznej bazuje na zastosowaniu paliw stałych, płynnych i gazowych. W Polsce, zajmującej czołowe miejsce pod względem produkcji węgla kamiennego w Europie, 65% zapotrzebowania energetycznego zaspokajane jest z wykorzystaniem tego właśnie surowca. Węgiel kamienny poddawany jest przeróbce głównie w procesach spalania i zgazowania. Na całym świecie nieustannie dąży się do udoskonalania technologii wytwarzania energii elektrycznej przez poprawę sprawności instalacji przemysłowych, przy jednoczesnym uwzględnieniu aspektów środowiskowych, takich jak na przykład redukcja zanieczyszczeń powietrza w wyniku minimalizacji emisji gazów cieplarnianych, powstających w procesie spalania. Głównym produktem procesu zgazowania węgla jest gaz syntezowy, znajdujący wiele zastosowań przemysłowych, zwłaszcza w syntezie chemicznej (w ubiegłym stuleciu była to głównie synteza produktów chemicznych do wytwarzania paliw silnikowych). Zarówno w przypadku spalania, jak i zgazowania węgla, pierwszym etapem procesu jest, trwająca ułamki sekundy, piroliza, czyli proces termicznego rozkładu węgla, której produktami są średniokaloryczny gaz, ciekłe węglowodory oraz stała pozostałość - karbonizat. Jednym z parametrów charakteryzujących węgiel oraz powstający w wyniku jego pirolizy karbonizat, pod względem efektywności zastosowań w procesach przemysłowych, jest reaktywność. Określa ona zdolność węgla lub produktów jego przetwórstwa do przemian termochemicznych w procesach spalania bądź zgazowania i jest zależna od wielu czynników, między innymi od: zawartości części lotnych, popiołów, stopnia uwęglenia wyjściowego węgla oraz warunków przeobrażeń fizykochemicznych, jakim podlega węgiel podczas pirolizy. Brak jest obecnie znormalizowanych metod badania reaktywności węgla lub otrzymanych z niego karbonizatów z uwagi na różnorodność warunków prowadzenia procesów i stosowanych metod zgazowania i spalania węgla oraz brak prostej metodyki laboratoryjnej. W artykule, na podstawie danych literaturowych, opisano metody badania reaktywności węgli lub karbonizatów z zastosowaniem: analizatorów termograwimetrycznych (TGA), reaktorów DTR (Field's Drop Tube Reactor), reaktorów ze złożem stałym (Fixed Bed Reactor), reaktorów ze złożem fluidalnym (Fluidized Bed Reactor - FBR), bomb kalorymetrycznych, reaktorów WRB (Wire Mesh Reactor) oraz reaktorów HRR (Hot Rod Reactor), ze wskazaniem zalet i wad każdej z nich.

EN

The world' s power production is based on solid, liquid and gaseous fuels. In Poland, being the leading European hard coal producer, 65% of energy needs depends on this solid fuel. Hard coal is processed mainly in combustion and gasification systems. The world's trend is the continuous upgrading of power production technologies by improvements in the effectiveness of the industrial systems, while taking into account the environmental aspects, like e.g. reduction of green house gases emission from combustion systems. The main product of gasification is synthesis gas, widely applied in industry, especially in industrial synthesis (during the last century mainly in the synthesis of chemical products for engine fuels production). The first stage of both: the gasification and combustion processes is pyrolysis - lasting fractions of a second process of thermal decomposition of coal, resulting in production of medium calorific gas, liquid hydrocarbons and solid residue - chars. One of the parameters describing coal and its chars in terms of their effectiveness in industrial processes is their reactivity. The reactivity determines an ability of coal and coal processing products to undergo thermochemical transformations in combustion and gasification processes and depends on many factors, like chemical composition of coal and chars: content of volatiles, ashes and carbon, as well as the terms under which the physical and chemical changes during pyrolysis take place. The reactivity is not tested on a standardized basis, mainly because of the wide variety of reaction terms and methods of combustion and gasification used and lack of simple laboratory testing method. In the paper, short characteristics of reactors depicted in the literature as used in reactivity testing, such as: thermogravimetric analyzers (TGA), Field's Drop Tube Reactors (DTR), Fixed Bed Reactors, Fluidized Bed Reactors (FBR), Calorimetric Bombs, Wire Mesh Reactors (WMR) and Hot Rod Reactors (HRR) are presented.

Słowa kluczowe

PL

węgiel kamienny; reaktywność węgla; spalanie węgla; zgazowanie węgla; analizator termograwimetryczny; reaktor DTR; reaktor ze złożem stałym; reaktor ze złożem fluidalnym; bomba kalorymetryczna; reaktor WRB; reaktor HRR

EN

hard coal; coal reactivity; combustion of coal; coal combustion; coal gasification; thermogravimetric analyzer; Field's Drop Tube Reactor; Fixed Bed Reactor; fluidized bed reactor; Calorimetric Bomb; Wire Mesh Reactor; Hot Rod Reactor

• Wydawca: Główny Instytut Górnictwa
• Czasopismo: Prace Naukowe GIG. Górnictwo i Środowisko / Główny Instytut Górnictwa
• Rocznik: 2006
• Tom: nr 4
• Strony: 77--92
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz.

Twórcy

autor

Smoliński A.

autor

Howaniec N.

autor

Stańczyk K.

• Główny Instytut Górnictwa, Zakład Oszczędności Energii i Ochrony Powietrza, Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice, tel. [phone],

Bibliografia

• 1. Carpenter A.M., Skorupska N.M. (1993): Coal combustion - analysis and testing. London Coal Research, IEA.
• 2. Essenhigh R.H. (1981): Fundamentals in Coal Combustion in Chemistry of Coal Utilization. Second Supplementary Vol. 1191, Martin A. Elliot Ed. New York, John Wiley&Sons.
• 3. Hippo E., Walker P. Jr. (1975): Reactivity of heat-treated coals in carbon dioxide at 900 ºC. Fuel Vol. 54, No 4.
• 4. Lim J.Y., Chatzakis I.N., Megaritis A., Cai H.Y., Dugwell D.R., Kandiyoti R. (1995): Gasification and char combustion reactivities of Daw Mill coal in wire-mesh and hot-rot reactors. Fuel Vol. 76, No 13, s. 1327-1335.
• 5. Linares-Solano A., Mahajan O.P., Walker P.L. (1979): Reactivity of heat-treated coals in steam. Fuel No 58, s. 327-332.
• 6. Luo C, Watanbe T., Nakamura M., Uemiya S., Kojima T. (2001): Development of FBR measurement of char reactivity to carbon dioxide at elevated temperatures. Fuel Vol. 80, s. 233-243.
• 7. Messenböck R.C., Dugwell D.R., Kandiyoti R. (1999): CO₂ and steam - gasification in a high-pressure wire-mesh reactor: the reactivity of Daw Mill coal and combustion reactivity of its chars. Fuel Vol. 78, s. 781-739.
• 8. Mondal K., Piotrowski K., Dasgupta D., Hippo E., Wiltowski T. (2005): Hydrogen from coal in a single step. Ind. Eng. Chem. Res. No 44, s. 5508-5517.
• 9. Őzdemir M., Żelkowski J. (1998): New applications of the fixed bed reactor to the measurement of coal reactivity under dynamic combustion conductions. Energy convers. Mgmt Vol. 39, No 16-18, s. 1891-1898.
• 10. Peralta D., Paterson N.P., Dugwell D.R., Kandiyoti R. (2001): Coal blend performance during pulverised-fuel combustion: estimation of relative reactivities by a bomb-calorimeter test. Fuel No 80, s. 1623-1634.
• 11. Sharma D.K., Sulimma A., Van Heek K.H. (1986): Comparative studies of pyrolysis of coal in inert gas, steam and hydrogen under pressure. Erdől & Kohle Erdgas Petrochemie Vol. 39, Issue. 4, s. 173-176.
• 12. Shaw K.J., Beamish B.B., Rodgers K.A. (1997): Thermogravimetric analytical procedures for determining reactivities of chars from New Zealand coals. Thermochimica Acta Vol. 302, s. 181-187.
• 13. Smykatz-Kloss W. (1974): Differential Thermal Analysis - applications and results in mineralogy. Berlin, Springer-Verlag.
• 14. Stańczyk K. (1989): Wpływ warunków hydropirolizy węgla na reaktywność karbonizatu w procesach spalania i zgazowania. Wrocław, Instytut Chemii i Technologii Nafty i Węgla Politechniki Wrocławskiej (Praca doktorska).
• 15. Szczepaniak W. (1996): Metody instrumentalne w analizie chemicznej. Warszawa, PWN.
• 16. Takarada T., Tamai Y., Tomita A. (1985): Reactivities of 34 coals under steam gasification. Fuel No 64.
• 17. Van Heek K.H., Muhlen H. (1985): Aspects of coal properties and constitution important for gasification. Fuel No 64.
• 18. Żelkowski J. (2001): Some aspects of measurement, interpretation and practical use of results from solid fuel reactivity studies. Energy No 26, s. 1185-1195.